ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА СВЯЗИ Российский патент 2016 года по МПК H04B10/00 

Изобретение относится к области волоконно-оптических систем передачи информации, а именно к системам связи со спектральным мультиплексированием, содержащим спектральные каналы с прямым детектированием и спектральные каналы с когерентным детектированием.

Заявленная волоконно-оптическая система связи может быть использована для передачи информации на расстояние от нескольких километров до нескольких десятков тысяч километров и может входить в состав магистральных межконтинентальных, региональных, межгородских и городских систем связи, может использоваться в общественных и корпоративных сетях связи, а также в сетях связи специального назначения.

Известна система связи, предназначенная для передачи информации по линиям связи длиной от нескольких километров до нескольких десятков тысяч километров. Система включает в себя множество m согласованных по частоте пар оптических когерентных передатчиков и приемников, спектральный объединитель (мультиплексор), объединяющий спектральные полосы, центры которых образуют фиксированную сетку частот, линию связи, спектральный делитель (демультиплексор), разделяющий спектральные полосы, центры которых образуют фиксированную сетку частот с постоянным периодом. В данной системе связи не используются периодические компенсаторы дисперсии оптической линии, т.к. при когерентном детектировании сигнала используется цифровая обработка сигналов, включающая в себя компенсацию хроматической дисперсии линии связи (N.V. Gurkin, V. Mikhailov, О.Е. Nanii, A.G. Novikov, V.N. Treshchikov, and R.R. Ubaydullaev " Experimental investigation of nonlinear noise in long-haul 100-Gb/s DP-QPSK communication systems using real-time DSP," Laser Phys. Lett., 2014, т. 11, стр.095103(1) - 095103(4)). Система обеспечивает существенное увеличение пропускной способности волоконно-оптической линии связи по сравнению с одноканальными системами связи и по сравнению с некогерентными DWDM системами связи.

Недостатком данной системы связи является невозможность совместного использования когерентных и некогерентных каналов, поскольку для работы некогерентных каналов требуется периодическая компенсация дисперсии оптической линии, т.к. электронных методов компенсации дисперсии в некогерентных системах связи нет.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбрана система связи, содержащая множество согласованных по частоте пар некогерентных и когерентных оптических передатчиков и приемников, спектральный объединитель (мультиплексор), объединяющий спектральные полосы, центры которых образуют фиксированную сетку частот, линию связи, содержащую пролеты длиной от 40 до 200 км, между которыми установлены оптические усилители, содержащие не менее двух каскадов усиления, причем между каскадами усилителей установлены компенсаторы дисперсии, спектральный делитель (демультиплексор), разделяющий спектральные полосы, центры которых образуют фиксированную сетку частот с постоянным периодом ΔΩфт (Наний О.Е., Трещиков В.Н. Новое поколение DWDM-систем связи. Фотон-экспресс. 2014. №4 (116). С. 18-23). За счет совместного использования некогерентных и когерентных каналов в прототипе удается осуществлять модернизацию действующих систем связи с некогерентными каналами NRZ ООК со скоростью 10 Гбит/с путем постепенной замены части из них когерентными каналами со скоростью 100 Гбит/с.

Недостатком известного устройства (прототипа) является ухудшение качества работы (увеличение коэффициента ошибок BER) когерентных спектральных каналов из-за сильных нелинейных перекрестных помех со стороны некогерентных каналов с форматами модуляции ООК.

Задача изобретения - уменьшение деградации качества работы когерентных спектральных каналах из-за нелинейных перекрестных помех со стороны некогерентных каналов в волоконно-оптической системе связи, содержащей одновременно спектральные каналы с когерентными и некогерентными форматами.

Техническим результатом изобретения является повышение качества работы (снижение коэффициента ошибок BER) и увеличение дальности работы линии связи.

Поставленная задача и заявленный технический результат при осуществлении изобретения достигаются тем, что в волоконно-оптической системе связи, включающей оптически соединенные линией связи мультиплексор с N входами, предназначенный для спектрального мультиплексирования N спектральных каналов, образующих сетку DWDM частот в стандартизованном спектре ITU, и демультиплексор с N выходами, предназначенный для спектрального демультиплексирования N спектральных каналов, образующих идентичную мультиплексору сетку DWDM частот, и набор N согласованных пар когерентных и некогерентных оптических передатчиков и приемников с когерентным и прямым детектированием, выходы и входы которых соответственно оптически соединены с входами мультиплексора и выходами демультиплексора, причем линия связи содержит пролеты длиной от 40 до 200 км, между которыми установлены оптические усилители, содержащие не менее двух каскадов усиления, между каскадами усилителей установлены компенсаторы дисперсии (по одному на усилитель), компенсаторы дисперсии выполнены в виде компенсаторов канального типа, например, на основе чирпированных брэгговских решеток или интерферометров, допускается, что шаг сетки DWDM частот волоконно-оптической системы связи равен 50 ГГц, предпочтительно, чтобы когерентные приемники и передатчики были выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата DP QPSK со скоростью передачи полезной информации 100 Гбит/с, а некогерентные приемники и передатчики были выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата NRZ ООК со скоростью передачи полезной информации 10 Гбит/с, допускается, чтобы некогерентные приемники и передатчики были выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата NRZ ООК с двумя скоростями передачи полезной информации 10 Гбит/с и 2,5 Гбит/с, причем спектральные каналы с когерентными приемниками и передатчиками расположены вплотную друг к другу, а рядом с ними расположены каналы NRZ ООК со скоростью передачи полезной информации 10 Гбит/с.

Изобретение иллюстрируется изображениями, где:

- на фиг. 1 показана схема одной из возможных реализаций заявленной волоконно-оптической системы связи;

- на фиг. 2 показаны графики зависимостей относительной временной задержки от длины волны.

Волоконно-оптическая система связи включает в себя множество согласованных по частоте пар когерентных и некогерентных оптических передатчиков (1) и приемников (2). Передатчики для одного направления объединены в одном блоке (транспондере) с приемниками встречного направления. Аналогично, приемники противоположного направления объединены с передатчиками встречного направления (фиг. 1). Выходы передатчиков (1) соединены со входами спектрального мультиплексора (3), а входы приемников (2) соединены с выходами спектрального демультиплексора (4). Спектральный мультиплексор (3) объединяет N входных сигналов со спектрами, образующими фиксированную сетку частот ITU-T, и направляет сигнал в оптическую линию связи, с входом которой он соединен. Линия связи состоит из двух или больше усилительных пролетов, каждый из которых содержит отрезок телекоммуникационного волокна (5), и компенсирующий потери в волокне линейный усилитель (6). Линейный усилитель (6) содержит не менее двух усилительных каскадов и расположенный между ними блок (7) компенсации дисперсии. Выход оптической линии связи соединен с входом демультиплексора (4), выходы которого соединены с входами когерентных или некогерентных приемников (2). Рабочие частоты приемников совпадают с рабочими частотами соответствующих им передатчиков.

Устройство работает следующим образом.

В передатчиках (1) формируются независимые информационные каналы разной скорости, преимущественно 100 Гбит/с в когерентных каналах и 10 Гбит/с в некогерентных каналах. Информационные каналы подаются на спектральный мультиплексор (3). Спектральный мультиплексор (3) объединяет в одном выходном волокне N информационных каналов с разными канальными скоростями и форматами модуляции. Тем самым формируется объединенный оптический информационный сигнал.

Объединенный оптический информационный сигнал, содержащий N информационных каналов от передатчиков (1), вводится в волоконно-оптическую линию связи.

Волоконно-оптическая линия связи содержит не менее 2-х пролетов, состоящих из отрезков коммуникационного волокна (5) и компенсирующих потери в волокне линейных усилителей (6). Линейный усилитель (6) содержит не менее двух усилительных каскадов и расположенный между ними блок (7) компенсации дисперсии канального типа. Блок (7) компенсации дисперсии канального типа компенсирует зависимость временной задержки от длины волны (дисперсию) коммуникационного волокна в пределах каждого спектрального канала, при этом разница временных задержек между соседними каналами сохраняется (см. фиг. 2). Линейные усилители в каждом пролете полностью компенсируют потери в волокне и потери в блоках компенсации дисперсии.

После прохождения волоконно-оптической линии связи объединенный оптический информационный сигнал поступает на демультиплексор (4), который делит его на N информационных каналов, каждый из которых поступает на свой выход. Каждый из N выходов спектрального демультиплексора (4) соединен с входом одного из N приемников (2).

Таким образом, N когерентных или некогерентных передатчиков (1) передают, а N когерентных или некогерентных приемников (2) принимают N независимых потоков информации.

Далее приведем ряд сравнений с прототипом для пояснения физического смысла заявленного технического результата.

Предложенное устройство отличается от прототипа тем, что компенсаторы дисперсии выполнены в виде компенсаторов канального типа, например, на основе чирпированных брэгговских решеток или интерферометров. Блок (7) компенсации дисперсии канального типа компенсирует зависимость временной задержки от длины волны (дисперсию) коммуникационного волокна в пределах каждого спектрального канала, при этом разница временных задержек между соседними каналами сохраняется (см. фиг. 2).

Данный отличительный признак обеспечивает уменьшение деградации качества работы когерентных спектральных каналов из-за нелинейных перекрестных помех со стороны некогерентных каналов в волоконно-оптической системе связи, содержащей одновременно спектральные каналы с когерентными и некогерентными форматами. Уменьшение штрафа из-за перекрестных помех в нелинейном режиме работы может достигать 10 дБ!

Техническим результатом изобретения является повышение качества работы (снижение коэффициента ошибок BER) и увеличение дальности работы линии связи.

Технический результат достигается за счет того, что в предложенном техническом решении при компенсации дисперсии внутри каждого спектрального канала сохраняется разность временных задержек между спектральными каналами, в то время как в прототипе разность временных задержек между спектральными каналами приблизительно равна нулю. Поэтому в прототипе нелинейные искажения за счет перекрестного нелинейного воздействия от отдельных пролетов суммируются синфазно, а в заявленном техническом решении они усредняются и складываются со случайными фазами. Результат сложения перекрестных искажений со случайными фазами значительно меньше результата от синфазного сложения перекрестных искажений.

Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что сетка частот соответственно мультиплексора и демультиплексора выполнена с шагом 50 ГГц в соответствии со стандартизованной сеткой частот ITU. Данный отличительный признак позволяет увеличить в 2 раза суммарную скорость передачи информации по сравнению с прототипом, в котором используется сетка 100 ГГц. В прототипе использовать сетку 50 ГГц не представляется возможным из-за больших перекрестных помех. Уменьшение уровня помех позволяет использовать сетку 50 ГГц в предложенном устройстве.

Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что когерентные приемники и передатчики выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата DP QPSK со скоростью передачи полезной информации 100 Гбит/с. Использование формата DP QPSK обеспечивает максимальную энергетическую эффективность и дальность передачи информации при высокой спектральной эффективности: достигается максимальная величина произведения дальности на спектральную эффективность.

Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что некогерентные приемники и передатчики выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата NRZ ООК со скоростью передачи полезной информации 10 Гбит/с. Использование данного признака обеспечивает возможность модернизации существующих систем связи, в которых используется обычно именно этот формат модуляции.

Предложенное устройство отличается от прототипа также тем, что некогерентные приемники и передатчики выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата NRZ ООК со скоростью передачи полезной информации 10 Гбит/с и 2,5 Гбит/с, причем спектральные каналы с когерентными приемниками и передатчиками расположены вплотную друг к другу а рядом с ними расположены каналы NRZ ООК со скоростью передачи полезной информации 10 Гбит/с. Использование данного признака обеспечивает возможность модернизации существующих систем связи, в которых используются форматы модуляции NRZ ООК с двумя скоростями: 10 Гбит/с и 2,5 Гбит/с. Кроме того, правильное расположение каналов в соответствии с данным признаком (когда рядом с когерентными каналами расположены только каналы 10 Гбит/с) обеспечивает минимизацию нелинейных помех в когерентных каналах от каналов со скоростью 2,5 Гбит/с, что обеспечивает снижение коэффициента ошибок и увеличение дальности.

Использование изобретения позволяет модернизировать существующие линии связи со скоростями 200 Гбит/с и 800 Гбит/с постепенно, по мере необходимости повышая скорость передачи информации до 8 Тбит/с.

С учетом изложенного можно сделать вывод о том, что поставленная задача - уменьшение деградации качества работы когерентных спектральных каналах из-за нелинейных перекрестных помех со стороны некогерентных каналов в волоконно-оптической системе связи, содержащей одновременно спектральные каналы с когерентными и некогерентными форматами - решена, и заявленный технический результат - повышение качества работы (снижение коэффициента ошибок BER) и увеличение дальности работы линии связи - достигнут.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники, необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического технического результата.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для использования в области волоконно-оптических систем передачи информации, а именно в системах связи со спектральным мультиплексированием, и может быть использован для передачи информации на расстояние от нескольких километров до нескольких десятков тысяч километров, может входить в состав магистральных межконтинентальных, региональных, межгородских и городских систем связи, может использоваться в общественных и корпоративных сетях связи, а также в сетях связи специального назначения;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте нижеизложенной формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к области волоконно-оптических систем передачи информации, а именно к системам связи со спектральным мультиплексированием. Технический результат состоит в повышении качества работы и увеличении дальности работы линии связи. Для этого линия связи содержит спектральные каналы с прямым детектированием и спектральные каналы с когерентным детектированием. В волоконно-оптической системе связи, включающей оптически соединенные линией связи мультиплексор с N входами, предназначенный для спектрального мультиплексирования N спектральных каналов, образующих сетку DWDM частот в стандартизованном спектре ITU, и демультиплексор с N выходами, предназначенный для спектрального демультиплексирования N спектральных каналов, образующих идентичную мультиплексору сетку DWDM частот, и набор N согласованных пар когерентных и некогерентных оптических передатчиков и приемников с когерентным и прямым детектированием, выходы и входы которых соответственно оптически соединены с входами мультиплексора и выходами демультиплексора, причем линия связи содержит пролеты длиной от 40 до 200 км, между которыми установлены оптические усилители, содержащие не менее двух каскадов усиления, между каскадами усилителей установлены компенсаторы дисперсии (по одному на усилитель), компенсаторы дисперсии выполнены в виде компенсаторов канального типа, например, на основе чирпированных брэгговских решеток или интерферометров. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Волоконно-оптическая система связи, включающая оптически соединенные линией связи мультиплексор с N входами, предназначенный для спектрального мультиплексирования N спектральных каналов, образующих сетку DWDM частот в стандартизованном спектре ITU, и демультиплексор с N выходами, предназначенный для спектрального демультиплексирования N спектральных каналов, образующих идентичную мультиплексору сетку DWDM частот, и набор N согласованных пар когерентных и некогерентных оптических передатчиков и приемников с когерентным и прямым детектированием, выходы и входы которых соответственно оптически соединены с входами мультиплексора и выходами демультиплексора, причем линия связи содержит пролеты длиной от 40 до 200 км, между которыми установлены оптические усилители, содержащие не менее двух каскадов усиления, между каскадами усилителей установлены компенсаторы дисперсии (по одному на усилитель), отличающаяся тем, что компенсаторы дисперсии выполнены в виде компенсаторов канального типа.

2. Волоконно-оптическая система связи по п. 1, отличающаяся тем, что компенсаторы дисперсии выполнены на основе чирпированных брэгговских решеток.

3. Волоконно-оптическая система связи по п. 1, отличающаяся тем, что компенсаторы дисперсии выполнены на основе интерферометров.

4. Волоконно-оптическая система связи по п. 1, отличающаяся тем, что шаг сетки DWDM частот равен 50 ГГц.

5. Волоконно-оптическая система связи по п. 1, отличающаяся тем, что когерентные приемники и передатчики выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата DP QPSK со скоростью передачи полезной информации 100 Гбит/с.

6. Волоконно-оптическая система связи по п. 1, отличающаяся тем, что некогерентные приемники и передатчики выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата NRZ OOK со скоростью передачи полезной информации 10 Гбит/с.

7. Волоконно-оптическая система связи по п. 1, отличающаяся тем, что некогерентные приемники и передатчики выполнены с возможностью кодирования и декодирования сигнала с использованием формата NRZ OOK со скоростью передачи полезной информации 10 Гбит/с и 2,5 Гбит/с, причем спектральные каналы с когерентными приемниками и передатчиками расположены вплотную друг к другу, а рядом с ними расположены каналы NRZ OOK со скоростью передачи полезной информации 10 Гбит/с.